JP2009036132A

JP2009036132A - ディーゼルエンジンの排気浄化装置

Info

Publication number: JP2009036132A
Application number: JP2007202200A
Authority: JP
Inventors: Jun Matsuda; 純松田; 功 ▲高▼▲崎▼; Isao Takasaki; Yasuo Tomioka; 泰夫冨岡; Tadashi Ishii; 正石井; Akira Arai; 晃新井; Katsuya Yamamoto; 勝也山本
Original assignee: UD Trucks Corp
Current assignee: UD Trucks Corp
Priority date: 2007-08-02
Filing date: 2007-08-02
Publication date: 2009-02-19

Abstract

【課題】低負荷〜高負荷に亘る広範な運転領域で、排気中のＮＯｘ，ＰＭ及びＨＣを同時に浄化する。
【解決手段】ディーゼルエンジン１０の燃料噴射装置１２に対して、エマルジョン燃料装置１８から軽油と水とを所定比率で混合したエマルジョン燃料を供給すると共に、ディーゼルエンジン１０の排気マニフォールド２８に接続された排気管３０に、酸素過剰雰囲気で排気中のＨＣを酸化させる酸化触媒３２を配設する。そして、酸化触媒３２により排気中のＨＣを酸化してＨ₂Ｏ及びＣＯ₂へと転化することで、アイドルを含む低負荷運転領域で低下するＨＣ浄化効率を改善し、広範な運転領域でＮＯｘ，ＰＭ及びＨＣを同時に浄化できるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ディーゼルエンジンの排気に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ），粒子状物質（ＰＭ）及び炭化水素（ＨＣ）を同時に浄化する技術に関する。

ディーゼルエンジンの排気に含まれるＮＯｘ，ＰＭ及びＨＣを浄化することを目的として、特開平５−２３１２４７号公報（特許文献１）に記載されるように、軽油に代えて、軽油と水とを混合したエマルジョン燃料を用いる技術が提案されている。エマルジョン燃料が燃焼するときには、水分が急激に加熱されて微爆発を起こし、水の周囲にある軽油を微細化しつつ拡散させる。また、軽油に非燃焼物質である水が混合することで、燃焼温度が低下する。このため、燃焼温度低下及び軽油と燃焼空気との接触面積増加の相乗作用により、ＮＯｘが低減し、かつ、ＰＭ中のＳＯＯＴ成分がＳＯＦ，ＨＣに改質され、条件によってはＰＭも同時に低減する。
特開平５−２３１２４７号公報

しかしながら、エマルジョン燃料を用いるディーゼルエンジンにおいては、特に、アイドルを含む低負荷運転領域では、オーバーリーン燃焼となって燃焼が不安定となることから、ＨＣの浄化効率が低下するおそれがある。このため、要求出力（トルク）が小さい低負荷運転領域でディーゼルエンジンを運転すると、ＮＯｘ及びＰＭの浄化性能が発揮できるものの、水の混合比率が高くなると、ＳＯＦ，ＨＣが悪化してしまう領域がある。また、エマルジョン燃料における水と軽油の混合比率が高くなると、ＮＯｘの浄化性能が飛躍的に増えるものの、ＳＯＦ，ＨＣが悪化してしまう領域がある。

そこで、本発明は以上のような従来の問題点に鑑み、ディーゼルエンジンの排気通路に酸化触媒を配設し、酸素過剰雰囲気中でＳＯＦ，ＨＣを酸化させて水（Ｈ₂Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ₂）に転化させることで、広範な運転領域でＮＯｘ，ＰＭ（ＳＯＦ）及びＨＣを同時に浄化可能な排気浄化装置を提供することを目的とする。

このため、請求項１記載の発明では、ディーゼルエンジンの燃料噴射装置に対して、軽油と水とを所定比率で混合したエマルジョン燃料を供給するエマルジョン燃料装置と、前記ディーゼルエンジンの排気通路に配設され、酸素過剰雰囲気でＳＯＦ，炭化水素を酸化させる酸化触媒と、を含んで構成されたことを特徴とする。
請求項２記載の発明では、前記所定比率は、エンジン運転状態に応じて動的に変化することを特徴とする。

請求項３記載の発明では、前記所定比率は、エンジン運転状態に適合した比率が設定された制御マップを参照して決定されることを特徴とする。
請求項４記載の発明では、前記酸化触媒は、触媒担体に貴金属を担持させたものであることを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、ディーゼルエンジンの燃料噴射装置から燃焼室内に直接噴射されたエマルジョン燃料は、圧縮行程において断熱圧縮されることで、その温度が徐々に上昇する。そして、エマルジョン燃料温度が軽油の着火温度に達すると軽油が燃焼を開始することから、水分が急激に加熱されて微爆発を起こし、その周囲にある軽油を微細化しつつ拡散させる。また、エマルジョン燃料においては、軽油に対して非燃焼物質である水が混合することで、燃焼温度が低下する。このため、ディーゼルエンジンの中負荷〜高負荷の運転領域において、燃焼温度低下及び軽油と燃焼空気との接触面積増加の相乗作用により、ＮＯｘが低減し、かつ、ＰＭ中のＳＯＯＴ成分がＳＯＦ，ＨＣに改質され、条件によってはＰＭも同時に低減する。

一方、ディーゼルエンジンのアイドルを含む低負荷運転領域では、オーバーリーン燃焼となって燃焼が不安定となりＳＯＦ，ＨＣの浄化効率が低下するが、排気が酸素過剰雰囲気で排気通路に配設された酸化触媒に接触することで、ＳＯＦ，ＨＣが酸化してＨ₂Ｏ及びＣＯ₂へと転化され、ＳＯＦ，ＨＣの浄化効率が改善される。同様に、エマルジョン燃料比（水と軽油との混合比率）が高くなった場合、ＮＯｘが低減しかつＳＯＦ，ＨＣが酸化してＨ₂Ｏ，ＣＯ₂へと転化され、浄化効率が改善する。

従って、ディーゼルエンジンの低負荷〜高負荷に亘る広範な運転領域において、排気中のＮＯｘ，ＰＭ及びＨＣを同時に浄化することができる。
請求項２記載の発明によれば、軽油と水とを混合する所定比率は、エンジン運転状態に応じて動的に変化するため、この比率を適切に設定することで、エンジン安定性と排気性状とを高次元で両立させることができる。

請求項３記載の発明によれば、制御マップを参照して所定比率が決定されるため、制御負荷の増加を極力抑制することができる。
請求項４記載の発明によれば、酸化触媒においては、触媒担体に貴金属が担持されているため、優れたＨＣの酸化作用を発揮することができる。

以下、添付された図面を参照して本発明を詳述する。
図１は、本発明を具現化したディーゼルエンジンの排気浄化装置の全体構成を示す。
ディーゼルエンジン１０の燃料噴射装置１２には、燃料供給配管１４を介して、軽油と水とを所定比率で混合したエマルジョン燃料を供給するエマルジョン燃料装置１６が接続される。エマルジョン燃料装置１６は、軽油タンク１８に貯蔵された軽油、水タンク２０に貯蔵された水及び乳化剤タンク２２に貯蔵された乳化剤を適宜混合してエマルジョン燃料を生成すべく、コンピュータを内蔵したエマルジョンコントロールユニット（以下「エマルジョンＥＣＵ」という）２４により電子制御される。なお、本実施形態においては、軽油と水との境界面に作用して均一な混合状態を作り出すために乳化剤を用いているが、これは必ずしも使用しなければならないものではない。

エマルジョンＥＣＵ２４は、エンジン運転状態としてのエンジン回転速度Ｎｅ及びエンジン負荷Ｑを適宜読込可能とすべく、ＣＡＮ（Controller Area Network）などのネットワークを介して、燃料噴射装置１２を電子制御するエンジンコントロールユニット（以下「エンジンＥＣＵ」という）２６と接続される。ここで、エンジン負荷Ｑとしては、吸気流量，吸気負圧，過給圧力，スロットル弁開度，アクセルペダルの踏込量などを適用することができる。なお、エンジン回転速度Ｎｅ及びエンジン負荷Ｑは、エンジンＥＣＵ２６から読み込まず、公知のセンサから直接読み込むようにしてもよい。

一方、ディーゼルエンジン１０の排気マニフォールド２８に接続される排気管３０には、酸素過剰雰囲気で、排気中のＨＣを酸化させてＨ₂Ｏ及びＣＯ₂へと転化させる酸化触媒３２が配設される。酸化触媒３２は、排気流通方向に平行な多数のセルを有するモノリスタイプの触媒担体、又は、球状若しくは円柱状のペレットタイプの触媒担体に、触媒金属として、酸化作用が優れた貴金属、例えば、白金（Ｐｔ）を担持させたものである。ここで、排気マニフォールド２８及び排気管３０を含んで排気通路が構成される。

図２は、ディーゼルエンジン１０の始動を契機として、エマルジョンＥＣＵ２４において所定時間ごとに繰り返し実行される制御プログラムの内容を示す。ここで、所定時間としては、例えば、エンジンＥＣＵ２６による燃料噴射装置１２の制御と同期した時間とすることが望ましい。
ステップ１（図では「Ｓ１」と略記する。以下同様）では、エンジンＥＣＵ２６からエンジン回転速度Ｎｅを読み込む。

ステップ２では、エンジンＥＣＵ２６からエンジン負荷Ｑを読み込む。
ステップ３では、図３に示すような制御マップを参照し、エンジン回転速度Ｎｅ及びエンジン負荷Ｑに応じた混合比率、即ち、軽油に対する水の混合比率を決定する。ここで、制御マップには、エンジン安定性と排気性状とを高次元で両立させるべく、実験などを通して、エンジン回転速度Ｎｅ及びエンジン負荷Ｑに適合した混合比率が適宜設定される。

ステップ４では、エマルジョン燃料装置１６に対して、軽油と水との混合比率に応じた制御信号を出力する。
かかる排気浄化装置において、ディーゼルエンジン１０の始動後所定時間ごとに、制御マップを参照して、エンジン運転状態としてのエンジン回転速度Ｎｅ及びエンジン負荷Ｑに応じた軽油と水との混合比率が決定される。そして、エマルジョン燃料装置１６に対して、軽油と水との混合比率に応じた制御信号が出力され、エンジン運転状態に応じて動的に変化する混合比率に基づいてエマルジョン燃料装置１６が電子制御される。このため、燃料噴射装置１２には、エンジン運転状態に応じた混合比率のエマルジョン燃料が供給されることとなる。

燃料噴射装置１２から燃焼室内に直接噴射されたエマルジョン燃料は、ディーゼルエンジン１０の圧縮行程において断熱圧縮されることで、その温度が徐々に上昇する。そして、エマルジョン燃料温度が軽油の着火温度に達すると軽油が燃焼を開始することから、水分が急激に加熱されて微爆発を起こし、その周囲にある軽油を微細化しつつ拡散させる。また、エマルジョン燃料においては、軽油に対して非燃焼物質である水が混合することで、燃焼温度が低下する。このため、当業者であれば公知であるように、燃焼温度低下及び軽油と燃焼空気との接触面積増加の相乗作用により、排気中のＮＯｘ，ＰＭ及びＨＣが同時に浄化される。

ところで、ディーゼルエンジン１０のアイドルを含む低負荷運転領域では、オーバーリーン燃焼となって燃焼が不安定となることから、ＨＣの浄化効率が低下してしまう。しかし、ディーゼルエンジン１０の排気管３０に酸化触媒３２が配設されているため、排気が酸素過剰雰囲気で酸化触媒３２と接触することで、ＨＣが酸化してＨ₂Ｏ及びＣＯ₂へと転化され、ＨＣの浄化効率が改善される。

従って、ディーゼルエンジン１０の低負荷〜高負荷に亘る広範な運転領域において、排気中のＮＯｘ，ＰＭ及びＨＣを同時に浄化することができる。

本発明を具現化した排気浄化装置の全体構成図エマルジョンＥＣＵにおいて実行される制御プログラムのフローチャート軽油と水との混合比率を決定するための制御マップの説明図

符号の説明

１０ディーゼルエンジン
１２燃料噴射装置
１４燃料供給配管
１６エマルジョン燃料装置
１８軽油タンク
２０水タンク
２２乳化剤タンク
２４エマルジョンＥＣＵ
２６エンジンＥＣＵ
２８排気マニフォールド
３０排気管
３２酸化触媒

Claims

ディーゼルエンジンの燃料噴射装置に対して、軽油と水とを所定比率で混合したエマルジョン燃料を供給するエマルジョン燃料装置と、
前記ディーゼルエンジンの排気通路に配設され、酸素過剰雰囲気で炭化水素を酸化させる酸化触媒と、
を含んで構成されたことを特徴とするディーゼルエンジンの排気浄化装置。
前記所定比率は、エンジン運転状態に応じて動的に変化することを特徴とする請求項１記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。
前記所定比率は、エンジン運転状態に適合した比率が設定された制御マップを参照して決定されることを特徴とする請求項２記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。
前記酸化触媒は、触媒担体に貴金属を担持させたものであることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。